發(fā)布時間：2021-02-22所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:在高層建筑抗風設(shè)計中，正確地評估鄰近建筑對風荷載的影響具有重要的理論和實用價值。從干擾機理、基底荷載干擾以及風壓干擾3個方面總結(jié)與評述了國內(nèi)外風致干擾效應(yīng)的研究進展，列舉了各國風荷載規(guī)范對干擾效應(yīng)的條文規(guī)定;結(jié)合作者所在研究團隊近十多年
摘要:在高層建筑抗風設(shè)計中，正確地評估鄰近建筑對風荷載的影響具有重要的理論和實用價值。從干擾機理、基底荷載干擾以及風壓干擾3個方面總結(jié)與評述了國內(nèi)外風致干擾效應(yīng)的研究進展，列舉了各國風荷載規(guī)范對干擾效應(yīng)的條文規(guī)定;結(jié)合作者所在研究團隊近十多年來進行的群體高層建筑的研究成果，對GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的風致干擾條文進行了補充說明，重點介紹了群體建筑氣動干擾的量化方法，并強調(diào)了干擾效應(yīng)的適用條件為折算風速不大于7;根據(jù)前期研究存在的問題和實際工程需求，建議進一步開展對群體建筑干擾機理、結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度、扭轉(zhuǎn)干擾響應(yīng)以及不同方向荷載相關(guān)性等方面的系統(tǒng)性研究。
關(guān)鍵詞:群體高層建筑;風荷載;風壓分布;干擾效應(yīng);風洞試驗
0引言
群體建筑的風荷載和響應(yīng)特性與單體建筑有很大的不同，這種現(xiàn)象被歸結(jié)為建筑物間的干擾效應(yīng)。多年來研究人員在風工程領(lǐng)域進行了大量的探索性研究工作，但目前研究還很少系統(tǒng)地考慮2棟建筑以上的群體之間的相互干擾問題，多數(shù)研究均以2棟高層建筑作為研究對象，且較少系統(tǒng)全面地考察結(jié)構(gòu)受擾后的風壓變化，研究結(jié)果顯然不能完全適應(yīng)目前群體建筑規(guī)劃和設(shè)計的需要。
文中結(jié)合作者所在研究團隊近十多年來進行的群體高層建筑的研究，從干擾機理、基底荷載干擾、風壓干擾以及各國風荷載規(guī)范對干擾效應(yīng)的描述等方面對風致干擾進行回顧與評述。對GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中風致干擾條文進行補充說明，并介紹在風工程實踐中所遇到的一些較為典型的群體建筑氣動干擾現(xiàn)象。最后指出當前研究的不足，并提出進一步研究建議。
1干擾機理
對上游建筑的尾流、干擾效應(yīng)導(dǎo)致的流動方式的改變以及基本壓力分布的變化等研究，用于分析其干擾機理。
Reinhold等[1]、Sykes[2]通過對矩形高層建筑干擾效應(yīng)的模型風洞試驗研究，指出上游施擾建筑漩渦脫落引起的氣動力是引起下游受擾建筑振動放大的主要原因。
Sakamoto等[3-4]研究了串列布置的兩個同等大小的方形截面建筑在均勻和湍流流場中的干擾效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)在均勻湍流中，Strouhal數(shù)的分布隨著間距比x/b(x為兩方形截面建筑中心線間距，b為方柱截面寬度)的變化可分為3個區(qū)域:1)當x/b<3時，漩渦脫落源于下游建筑;2)當3
Taniike[6]進一步通過干冰薄霧流跡顯示法研究了低湍流風場中兩臨近建筑周邊的流場分布，認為上游建筑的出現(xiàn)增加了下游受擾建筑的脈動力，其歸因于:1)上游建筑會形成交替脫落的漩渦，對下游建筑產(chǎn)生額外的角動量，從而產(chǎn)生很強的周期性升力;2)上游建筑脫落的尾渦轉(zhuǎn)化成小尺度渦，增加了來流的脈動速度;3)兩建筑同步脫落的漩渦經(jīng)過兩建筑間的“狹道”后，使得受擾建筑出現(xiàn)最強的脈動升力。
Wong等[7]研究了2個不同尺寸方形截面建筑并列布置的流體干擾機制，發(fā)現(xiàn)在橫向間距較小時，截面較大的建筑內(nèi)側(cè)面發(fā)生氣流再附;當橫向間距較大時，截面較小的建筑內(nèi)側(cè)面發(fā)生氣流再附。
Khanduri等[8]對干擾效應(yīng)產(chǎn)生的機理進行了總結(jié):上游建筑產(chǎn)生的遮擋效應(yīng)通常會造成下游建筑的順風向平均風力減小;上游建筑尾流湍流強度的增加將使下游建筑的動荷載增大;周邊建筑將導(dǎo)致主建筑周圍流場非均勻變化，表面風壓也將非均衡分布，因此將產(chǎn)生額外的傾覆力矩和扭矩。由此可見，干擾效應(yīng)通常是若干種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。
Tang等[9]通過氣彈模型風洞試驗研究了兩相同方形截面建筑間的干擾機理。研究指出:上游施擾建筑的尾流對下游建筑氣動響應(yīng)的影響很大，干擾效應(yīng)的大小取決于兩建筑之間的距離以及受擾建筑在尾流中的位置。尾流激勵的發(fā)生會導(dǎo)致受擾建筑響應(yīng)譜能量的重分布，當主要的尾流能量發(fā)生變化，可能會引起受擾建筑自振頻率處共振能量的提高。
Yen等[10]通過煙霧顯示技術(shù)，研究了并列布置的兩方形截面建筑在不同間距比(x/b)下的流體干擾特征。結(jié)果表明:1)當0.1≤x/b<5.5時，由于干擾作用，兩建筑后的漩渦脫落呈反相位現(xiàn)象;2)當x/b≥5.5時，兩建筑后的漩渦脫落互不干擾，表現(xiàn)出同步相位。
Hui等[11]通過PIV(particleimagevelocimetry)技術(shù)，研究了兩不同矩形截面高層建筑之間的干擾效應(yīng)，從流場方面研究了干擾效應(yīng)出現(xiàn)的原因。結(jié)果表明，上游建筑的高速剪切流以及兩建筑迎風邊緣附近的流場相互作用是導(dǎo)致最不利負壓出現(xiàn)的主要原因。
相關(guān)期刊推薦：《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報》該刊宗旨在報道和交流建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中代表我國學(xué)術(shù)水平的最新研究成果，反映本學(xué)科發(fā)展最新動態(tài)和趨勢，推動國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流，主要刊登建筑結(jié)構(gòu)、抗震防振、地基基礎(chǔ)等學(xué)科的基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用研究和科學(xué)實驗技術(shù)的學(xué)術(shù)論文，研究報告及最新進展動態(tài)，為我國建筑科學(xué)技術(shù)研究的發(fā)展服務(wù)。
對于群體干擾效應(yīng)的機理研究需要進一步加強。已有部分風洞試驗現(xiàn)象的形成機理還不能得到很好的解釋，目前通過流場顯示技術(shù)對施擾建筑尾流特征的研究還處于定性分析階段。未來需采用更加精細的定量分析方法，如尾流直接測量、流場顯示、計算流體動力學(xué)(CFD)等開展對尾流特性的定量分析以及尾流特性和建筑風致效應(yīng)的相關(guān)性研究，以便更好地詮釋復(fù)雜建筑群體干擾效應(yīng)的潛在機理。
2基底荷載干擾效應(yīng)
影響建筑物基底荷載或內(nèi)力響應(yīng)干擾效應(yīng)的主要因素包括:折算風速Vr(Vr=Vh/(fsD))、地貌、施擾建筑的形狀和尺寸、風向角和建筑方位角、相對位置以及2個上游施擾建筑的影響等。
2.1折算風速
對于衡量干擾效應(yīng)的干擾因子而言，折算風速對其具有很大的影響。折算風速不同，相應(yīng)的干擾因子分布也不相同。
Bailey等[12]研究了上游圓形建筑對下游方形建筑的干擾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在折算風速為6.8時，受擾建筑的動力響應(yīng)顯著增大，順、橫風向的干擾因子均可達3.2。
Kareem[13]指出干擾因子有隨折算風速增加而降低的趨勢，認為這主要是在較低折算風速(Vr≤5)時，結(jié)構(gòu)孤立狀態(tài)的響應(yīng)較低，這時的干擾因子較大;反之，在較高折算風速(Vr>5)時，結(jié)構(gòu)單體狀態(tài)的響應(yīng)較高，受擾后的影響增加不夠顯著，故干擾因子較低。
Taniike等[5]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在開闊地貌和折算風速為5～6時，0.4倍受擾建筑寬度的施擾建筑會對受擾建筑產(chǎn)生較大的共振抖振效應(yīng)，順、橫風向的動力響應(yīng)分別是單體時的10倍和20倍。
但Kareem[13]的結(jié)論對有些情況并不適用，如與Taniike[5]的觀測結(jié)果矛盾，因折算風速的影響還要受其他多種因素的制約，不能一概而論。
2.2地貌
鄰近建筑導(dǎo)致受擾建筑風荷載的增加量受到地貌的影響。
Bailey等[12]、Blessmann等[14]研究了多種地貌條件下(包括開闊鄉(xiāng)村、城市郊區(qū)和城市地貌)的風致干擾效應(yīng)，得到開闊地貌條件下的干擾應(yīng)最為顯著的主要結(jié)論。這一方面是由于開闊鄉(xiāng)村地貌對應(yīng)的湍流度較低，而上游建筑尾流中的脈動部分有較強的相關(guān)性，因此，引起下游建筑風荷載的增大;另一方面，城市地貌的高湍流度對上游建筑的尾流有阻滯效果因而減小了下游建筑的動力干擾效應(yīng)，而且流場的高湍流度對結(jié)構(gòu)的漩渦形成和尾流結(jié)構(gòu)也有很大的影響。
Taniike[15]進一步研究了在高湍流城市地貌條件下相鄰高層建筑之間的相互干擾效應(yīng)，結(jié)果表明:相互干擾效應(yīng)隨著湍流度的增大呈指數(shù)率減小，直至湍流度增大到17%～18%時，相互干擾效應(yīng)消失。
在比Taniike[15]建議的湍流度更高的地貌條件下，Kwok[16]對高寬比為9的方形截面建筑物間的干擾效應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)順、橫風向的動力響應(yīng)仍有35%和41%的增加。
以上研究表明，通過改變上游地貌條件，從開闊鄉(xiāng)村到城市郊區(qū)，上游建筑引起的下游建筑順風向及橫風向的荷載可減小到開闊地貌時的60%～80%。根據(jù)建筑物幾何形狀以及不同的相對位置，從開闊地貌到城市地貌，下流受擾建筑的扭矩可能有50%的減小。因此，在沿海區(qū)域、開闊鄉(xiāng)村地貌、城市中心邊緣的小群建筑對風致干擾效應(yīng)更加敏感。
2.3施擾建筑寬度
上游施擾建筑的橫截面尺寸和形狀不僅影響下游建筑的平均風力，而且影響其脈動風力。
Taniike等[5-6]研究等高不同截面尺寸的方形建筑在低湍流度環(huán)境下的干擾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨上游施擾建筑截面尺寸的增大，遮擋效應(yīng)增大，受擾建筑的順風向平均風壓減少，但順風向動力響應(yīng)則呈增大趨勢，并認為這是由于大尺寸的上游建筑脫落更大的漩渦，由此增大了流動的脈動速度所引起的。但此結(jié)論與其觀察到的小截面尺寸建筑在低折算風速下的劇烈干擾效應(yīng)這一特殊現(xiàn)象[5]存在矛盾。Taniike根據(jù)試驗結(jié)果建議，對于小截面尺寸的干擾建筑(0.4倍受擾建筑寬度)，順風向脈動阻力的干擾因子可取1.5;對于相同截面尺寸的施擾建筑，則取其為2.0;對于大截面尺寸(2.5倍受擾建筑寬度)的施擾建筑，最大干擾因子增加到3.0，且均發(fā)生在兩建筑物相距較近的情況。
在橫風向上，增大上游施擾建筑截面尺寸會導(dǎo)致作用于下游建筑的動力風荷載呈減小趨勢。Taniike等[5]的研究結(jié)果表明，小截面尺寸的干擾建筑(0.4倍受擾建筑寬度)在位于特定位置時可使受擾建筑的順風向和橫風向的動力響應(yīng)分別提高10倍和20倍。
由于小截面寬度施擾建筑可產(chǎn)生頻率較高的漩渦，在較低的風速下即可使受擾建筑發(fā)生渦激共振，并產(chǎn)生較大的干擾作用，故在實際應(yīng)用中應(yīng)更加關(guān)注小截面寬度施擾建筑的干擾影響。
2.4施擾建筑高度
Saunders等[17]，English[18]和Sykes[2]等研究了不同上游建筑的高度對下游建筑風荷載的影響，結(jié)果表明:隨著上游建筑高度的增加，下游建筑的順風向荷載由于遮擋效應(yīng)而減小，但動力荷載卻有所增大。
Melbourne等[19]指出當上游建筑的高度減小到下游建筑高度的2/3時，其干擾效應(yīng)會顯著減小。
Saunders等[17]研究發(fā)現(xiàn)在折算風速為2時，高度相同的上游建筑使下游建筑的順風向傾覆彎矩較孤立狀態(tài)增加70%以上。同樣，橫風向的動力荷載也因建筑高度的增大而增加，這主要是因為隨著上游建筑高度的增加，加大了上游建筑脫落的尾渦結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。
Stathopoulos[20]研究了鄰近高層建筑和低矮建筑之間的干擾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鄰近高層建筑的存在使得低矮建筑屋面風壓被顯著放大。
因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計時，應(yīng)重點關(guān)注高于受擾建筑的施擾建筑影響。
2.5建筑外形
建筑截面形狀的不同也會引起干擾效應(yīng)的變化。Bailey等[12]通過研究圓形截面建筑和方形截面建筑對方形截面受擾建筑物的干擾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn):圓形截面施擾建筑和方形截面施擾建筑相比，順、橫風向的干擾因子均增加80%，其中圓形截面施擾建筑和方形截面受擾建筑之間的干擾因子可高達3.23，但其干擾因子分布與兩方形截面建筑間的干擾因子分布有很大差別，其顯著干擾位置也不相同。
黃鵬[21]考慮了受擾建筑截面為正方形凹角和切角情況的干擾因子變化情況，結(jié)果表明其干擾因子比建筑截面為正方形時的大，這與凹角和切角體型建筑在單體情況本身的響應(yīng)偏小有關(guān)。
建筑氣動外形的優(yōu)化雖然導(dǎo)致了較大的干擾因子，但結(jié)構(gòu)整體的風荷載作用及響應(yīng)減小了，有利于結(jié)構(gòu)安全。
2.6風向角
風效應(yīng)不僅與風速有關(guān)，還和風向角關(guān)系密切。
Sykes[2]研究發(fā)現(xiàn)兩方形截面建筑模型在30°風向角作用時，其干擾效應(yīng)較其他條件大致相似時的0°風向角作用下的結(jié)果偏小。
黃鵬[21]研究了兩建筑在不同風向角情況下的干擾特性并和0°風向角作用下的結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)在某些施擾建筑位置(如[3b，0])，干擾因子有很大的增加，最大值可達3.0以上，但在大部分位置仍沒超過0°風向角作用時的結(jié)果。
通常風洞試驗中風向角是以10°或15°為間隔進行，并從中測出最不利風向角。由于實際情況下風向的不確定性，研究風向?qū)Ω蓴_效應(yīng)的影響具有較大的應(yīng)用價值。
2.7相對位置鄰近建筑間的距離及相對位置是風致干擾效應(yīng)中最重要的參數(shù)。一般認為，兩建筑間的干擾效應(yīng)隨分離距離的增大而逐漸減小，當超過一定距離后，干擾效應(yīng)消失。
Sakamoto等[4]、Taniike[6]通過試驗均發(fā)現(xiàn):兩個建筑物越近，其遮擋效應(yīng)越明顯。在建筑串列布置下，當順風向間距約為3倍建筑物寬度時，下游建筑物的平均阻力基本為零;間距更小時，下游建筑物上的平均阻力為負;而當間距達13倍建筑物寬度時，遮擋效應(yīng)仍較為明顯，遮擋因子仍達0.7。在建筑并列位置下，橫風向間距在超過3倍建筑物寬度時平均升力接近0(相當于孤立情況)，而間距更小時，由于狹管效應(yīng)作用，受擾建筑上會產(chǎn)生指向施擾建筑方向的風力。
English[22]分析和比較了前期在不同地貌類型下得到的試驗結(jié)果，給出了描述兩建筑干擾情況下順風向平均荷載遮擋。
2.8兩棟上游施擾建筑由于試驗工作量的原因，目前大部分研究均局限在兩棟建筑物間的干擾效應(yīng)的研究上，只有較少研究在簡化工況的情況下考慮了3棟建筑物間的干擾問題。
Saunders等[17]研究了2棟上游建筑物在不同位置對下游建筑的影響，發(fā)現(xiàn)對稱排列的2棟上游建筑位于[8b，±3b]時，比在同樣位置的單棟施擾建筑情況的干擾因子高出80%。但Kareem[13]在4個特定施擾位置對2棟上游施擾建筑的干擾效應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果和單棟上游施擾建筑物產(chǎn)生的干擾效應(yīng)情況近似，這可能是由于試驗的干擾位置太少，導(dǎo)致其試驗結(jié)論較片面。謝壯寧等[24-28]通過風洞試驗系統(tǒng)地研究了3棟高層建筑間的干擾效應(yīng)。結(jié)果表明，與2棟建筑干擾效應(yīng)相比，3棟建筑之間的動力干擾效應(yīng)更為明顯。對于施擾建筑和受擾建筑尺寸一致的情況(基本配置)，在B類地貌下折算風速為8時，由3棟建筑物試驗測出的干擾因子較兩建筑物試驗結(jié)果增加80%，而在D類地貌下仍有25%～30%的顯著差別。對于考慮折算風速范圍2～9的包絡(luò)干擾因子分布或非基本配置情況，差別會進一步增大。
以上研究表明，2棟上游施擾建筑的干擾效應(yīng)較1棟上游施擾建筑更為顯著。而實際工程中常常存在兩棟或更多施擾建筑的影響，此時受擾建筑的表面風壓和基底風致荷載響應(yīng)需重點關(guān)注。3風壓干擾效應(yīng)目前，對干擾效應(yīng)的研究主要集中于建筑基底氣動力或基底內(nèi)力響應(yīng)，而實際高層建筑由于干擾而導(dǎo)致倒塌的現(xiàn)象較少，但強風中仍頻現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象，說明對處于復(fù)雜群體環(huán)境下的建筑物峰值風壓特性的理解尚不準確，從而影響到圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計。
Gowda等[29]研究了不同的串列間距對下游建筑表面風壓干擾影響，結(jié)果表明，當串列距離很小時，下游建筑完全處于上游建筑的剪切層中，其所有表面上都承受高負壓。Józ'wiak等[30]通過對一棟11層的實際工程建筑的風洞干擾試驗發(fā)現(xiàn)，當附近有周圍建筑物時，風向角210°時，其背風面局部測點風壓系數(shù)是單體情況下的1.8倍，但如果合理改變擬建建筑的位置時，干擾效應(yīng)將會明顯減弱。
Kim等[31]通過風洞試驗研究了5種高度的施擾建筑對受擾建筑局部風壓的影響。結(jié)果表明，受擾建筑表面最大負峰值風壓隨著施擾建筑的高度增加而增大;斜列布置比串列布置產(chǎn)生更大的負峰值風壓。
謝壯寧等[32]的研究認為，處于受擾物體尾流邊界上的施擾物體可以降低來流在受擾物體上的分離速度，從而使最大負壓系數(shù)降低，最多可降低到45%，并列布置產(chǎn)生的峽谷效應(yīng)可使最大負壓系數(shù)增大到39%。
Hui等[33]通過風洞試驗，研究了不同截面的兩高層建筑的局部風壓干擾效應(yīng)，結(jié)果表明:最大正、負峰值風壓干擾因子與建筑外形和風向關(guān)系密切，最不利位置通常集中于建筑物的邊緣和角落區(qū)域;干擾情況下的負峰值風壓較單體時放大高達50%。
在國內(nèi)，近年來采用同步測壓技術(shù)對超高層建筑在受擾下的風壓變化進行研究[34-36]，分析了高層建筑在受擾后立面平均風壓和峰值風壓的分布特征，從大量試驗工況的數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)，并列布置產(chǎn)生的峽谷效應(yīng)對受擾建筑立面的風壓放大效應(yīng)最為嚴重，圖1所示為兩建筑并列布置時，相鄰立面風壓干擾因子隨間距比的變化。——論文作者：余先鋒1，謝壯寧1，顧明2
